一种个体化股骨短柄的构建方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种个体化股骨短柄的构建方法。

背景技术：

个体化股骨短柄是股骨手术中常用的假体，其主要用于人工全髋关节置换术等手术中，起到中，股骨柄是对髓腔的主要填充物，其对手术的质量起着关键性的作用。现有技术中虽然已经有一些关于个体化股骨短柄的构建方法，但是还存在应力屏蔽、位置松动、疼痛等假体失效等问题，所以需要进一步提供更先进的个体化股骨短柄的构建方法。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种个体化股骨短柄的构建方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明另一方面提供一种个体化股骨短柄的构建方法，包括如下步骤：

1)建立股骨3d模型；

2)构建股骨机械轴l；

3)获取垂直于股骨机械轴l且过小转子中心点的有效髓腔的截面；

4)以股骨机械轴l与截面的交点为圆心，在有效髓腔的截面上构建髓腔内切圆；

5)以股骨机械轴l为第一轴线、以内侧髁和外侧髁的两髁连线为第二轴线、以垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线建立三维立体坐标系；

6)构建控制点t2和控制点t4，所述控制点t2和控制点t4为过髓腔内切圆圆心的第二轴线方向与髓腔内切圆的交点，所述控制点t2位于骨机械轴l的内侧，所述t4位于骨机械轴l的外侧；

7)构建控制点t3和控制点t5，所述控制点t3和控制点t5为过髓腔内切圆圆心的第三轴线方向与髓腔内切圆的交点，所述控制点t3位于骨机械轴l的后侧，所述t5位于骨机械轴l的前侧；

8)构建控制点t1，所述控制点t1在有效髓腔的截面以下、且位于股骨机械轴l上；

9)构建控制点t6，所述控制点t6位于小转子上方10～50mm；

10)构建锥形区圆台上台面圆心，所述上台面圆心距离第一轴线l40～60mm，所述上台面圆心距离第二轴线20～60mm，所述上台面圆心距离第三轴线≤20mm；

11)构建锥形区圆台轴线，所述锥形区圆台轴线与第一轴线在第一轴线和第二轴线所在平面上的投影的夹角为100～150°，所述锥形区圆台轴线与第二轴线在第二轴线和第三轴线所在平面上的投影的夹角为12～15°；

12)根据锥形区圆台上台面圆心和锥形区圆台轴线，构建锥形区圆台，锥形区圆台的上台面圆面直径为11～14mm，锥形区圆台的台高为11～19mm，锥形区圆台的锥度为5.67～5.68mm；

13)构建控制点l1和控制点l3，所述控制点l1和控制点l3为过圆台上台面圆心、且平行于第一轴线和第二轴线所在平面的平面与圆台下台面边缘的交点，所述控制点l1位于锥形区圆台轴线的内侧，所述控制点l3位于锥形区圆台轴线的外侧；

14)构建控制点l2和控制点l4，所述控制点l2和控制点l4的连线位于圆台下台面上、且过圆台下台面圆心、且与控制点l1和控制点l3的连线相垂直，所述控制点l2位于锥形区圆台轴线的后侧，所述控制点l4位于锥形区圆台轴线的前侧；

15)分别在控制点t1和控制点t2之间、控制点t1和控制点t3之间、控制点t1和控制点t4之间、控制点t1和控制点t5之间构建bezier曲线；

16)分别在控制点l1和控制点t2之间、控制点l2和控制点t3之间、控制点l3和控制点t4之间、控制点l4和控制点t5之间构建bezier曲线，其中，t6为控制点l1和控制点t2之间的曲线上的控制点；

17)将圆台下台面与有效髓腔的截面之间的样条曲线均进行等分，对应每段等分点构建闭合曲线；

18)将控制点t1与有效髓腔的截面之间的样条曲线均进行等分，对应每段等分点构建闭合曲线；

19)构建获得个体化股骨短柄的模型。

在本发明一些实施方式中，所述步骤4)中，所述髓腔内切圆与髓腔内壁有三个切点。

在本发明一些实施方式中，所述步骤5)中，所述三维立体坐标系中，所述第一轴线为z轴，第二轴线为x轴，第三轴线为y轴。

在本发明一些实施方式中，所述步骤8)中，所述控制点t1为股骨机械轴l在有效髓腔的截面以下40mm～150mm处。

在本发明一些实施方式中，所述步骤11)中，所述锥形区圆台上台面小于锥形区圆台下台面。

在本发明一些实施方式中，个体化股骨短柄的截面均匀变化。

在本发明一些实施方式中，所述个体化股骨短柄位于控制点t1侧的末端为光滑球面。

本发明另一方面提供一种个体化股骨短柄的制备方法，所述方法包括：根据所述的个体化股骨短柄的构建方法构建获得的个体化股骨短柄的模型，制备个体化股骨短柄。

本发明另一方面提供一种个体化股骨短柄，由所述的个体化股骨短柄的构建方法构建获得、或由所述的个体化股骨短柄的制备方法制备获得。

本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现所述的个体化股骨短柄的构建方法的步骤、或所述的个体化股骨短柄的制备方法的步骤。

附图说明

图1显示为本发明股骨机械轴l示意图。

图2显示为本发明髓腔内切圆构建示意图。

图3显示为本发明轴线构建示意图。

图4显示为本发明柄体样条曲线构建示意图。

图5显示为本发明柄体样条曲线构建示意图。

图6显示为本发明颈部控制点t6示意图。

图7显示为本发明柄体构建示意图。

附图标号说明

1柄体锥形区

2柄体上部区域

3小转子中心

4柄体下部区域

具体实施方式

本发明发明人经过长期研究，提供了一种个体化股骨短柄的构建方法，所述构建方法构建获得的个体化股骨短柄可充分保留骨量，优化应力传递，降低大腿痛，便于后期翻修，在此基础上完成了本发明。

本发明第一方面提供一种个体化股骨短柄的构建方法，包括如下步骤：

1)建立股骨3d模型；

2)构建股骨机械轴l；

3)获取垂直于股骨机械轴l且过小转子中心点的有效髓腔的截面；

4)以股骨机械轴l与截面的交点为圆心，在有效髓腔的截面上构建髓腔内切圆；

5)以股骨机械轴l为第一轴线、以内侧髁和外侧髁的两髁连线为第二轴线、以垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线建立三维立体坐标系；

6)构建控制点t2和控制点t4，所述控制点t2和控制点t4为过髓腔内切圆圆心的第二轴线方向与髓腔内切圆的交点，所述控制点t2位于骨机械轴l的内侧，所述t4位于骨机械轴l的外侧；

7)构建控制点t3和控制点t5，所述控制点t3和控制点t5为过髓腔内切圆圆心的第三轴线方向与髓腔内切圆的交点，所述控制点t3位于骨机械轴l的后侧，所述t5位于骨机械轴l的前侧；

8)构建控制点t1，所述控制点t1在有效髓腔的截面以下、且位于股骨机械轴l上；

9)构建控制点t6，所述控制点t6位于小转子上方10～50mm；

10)构建锥形区圆台上台面圆心，所述上台面圆心距离第一轴线l40～60mm，所述上台面圆心距离第二轴线20～60mm，所述上台面圆心距离第三轴线≤20mm；

11)构建锥形区圆台轴线，所述锥形区圆台轴线与第一轴线在第一轴线和第二轴线所在平面上的投影的夹角为100～150°，所述锥形区圆台轴线与第二轴线在第二轴线和第三轴线所在平面上的投影的夹角为12～15°；

12)根据锥形区圆台上台面圆心和锥形区圆台轴线，构建锥形区圆台，锥形区圆台的上台面圆面直径为11～14mm，锥形区圆台的台高为11～19mm，锥形区圆台的锥度为5.67～5.68mm；

13)构建控制点l1和控制点l3，所述控制点l1和控制点l3为过圆台上台面圆心、且平行于第一轴线和第二轴线所在平面的平面与圆台下台面边缘的交点，所述控制点l1位于锥形区圆台轴线的内侧，所述控制点l3位于锥形区圆台轴线的外侧；

14)构建控制点l2和控制点l4，所述控制点l2和控制点l4的连线位于圆台下台面上、且过圆台下台面圆心、且与控制点l1和控制点l3的连线相垂直，所述控制点l2位于锥形区圆台轴线的后侧，所述控制点l4位于锥形区圆台轴线的前侧；

15)分别在控制点t1和控制点t2之间、控制点t1和控制点t3之间、控制点t1和控制点t4之间、控制点t1和控制点t5之间构建bezier曲线；

16)分别在控制点l1和控制点t2之间、控制点l2和控制点t3之间、控制点l3和控制点t4之间、控制点l4和控制点t5之间构建bezier曲线，其中，t6为控制点l1和控制点t2之间的曲线上的控制点；

17)将圆台下台面与有效髓腔的截面之间的样条曲线均进行等分，对应每段等分点构建闭合曲线；

18)将控制点t1与有效髓腔的截面之间的样条曲线均进行等分，对应每段等分点构建闭合曲线；

19)构建获得个体化股骨短柄的模型。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：建立股骨3d模型。本领域技术人员可选择合适的方法，建立股骨3d模型。例如，可以通过ct数据，建立股骨3d模型，再例如，可以通过mimics、medraw、3dslicer等软件，建立股骨3d模型。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建股骨机械轴l。可参照图1中的竖直直线，所述股骨机械轴l通常为以小转子上方一定距离和小转子下方一定距离之间的髓腔结构拟合的中心线为髓腔轴线。在本发明一具体实施例中，所述股骨机械轴l以小转子上方20mm和小转子下方100mm距离的髓腔结构拟合的中心线为髓腔轴线。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：获取垂直于股骨机械轴l且过小转子中心点的有效髓腔的截面，从而可以获取有效髓腔截面的具体形状。所述有效髓腔通常指小转子以上20mm和小转子以下20mm范围的髓腔结构。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：以股骨机械轴l与截面的交点为圆心，在有效髓腔的截面上构建髓腔内切圆。可参照图2，所述髓腔内切圆与髓腔内壁通常可以有多个切点，例如，所述髓腔内切圆与髓腔内壁可以有三个切点。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：以股骨机械轴l为第一轴线、以内侧髁和外侧髁的两髁连线为第二轴线、以垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线建立三维立体坐标系。所述第一轴线和第二轴线通常是垂直的，所以以垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线可以建立三维立体坐标系，所述第三轴线通常过第一轴线和第二轴线的交点。可参照图3，可以以股骨机械轴l(第一轴线)朝向人体上方的方向为z轴正方向，以两髁连线(第二轴线)朝向股骨头反向为x轴正方向(图3中，3指向2为正方向)，通过右手定则确定y轴(第三轴线)并进一步构建三维立体坐标系。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建控制点t2和控制点t4，所述控制点t2和控制点t4为过髓腔内切圆圆心的第二轴线方向与髓腔内切圆的交点，所述控制点t2位于骨机械轴l的内侧，即人体处于直立姿势时，位于骨机械轴l更靠近盆腔的一侧，所述t4位于骨机械轴l的外侧，即人体处于直立姿势时，位于骨机械轴l远离于盆腔的一侧。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建控制点t3和控制点t5，所述控制点t3和控制点t5为过髓腔内切圆圆心的第三轴线方向与髓腔内切圆的交点，所述控制点t3位于骨机械轴l的后侧，即人体处于直立姿势时，位于骨机械轴l靠近人体背面的一侧，所述t5位于骨机械轴l的前侧，即人体处于直立姿势时，位于骨机械轴l靠近人体正面的一侧。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建控制点t1，所述控制点t1在有效髓腔的截面以下、且位于股骨机械轴l上，所述控制点t1为股骨机械轴l在有效髓腔的截面以下40mm～150mm处，优选为60mm～100mm处，更优选为70mm～90mm处。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建控制点t6，所述控制点t6位于小转子上方10～50mm，优选为20～40mm，更优选为25～35mm。所述控制点t6在股骨颈骨皮质表面(如图5所示)，并使其在该点的切线方向与骨皮质表面相切。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建锥形区圆台上台面圆心，所述上台面圆心距离第一轴线l40～60mm，所述上台面圆心距离第二轴线20～60mm，所述上台面圆心距离第三轴线≤20mm。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建锥形区圆台轴线，所述锥形区圆台轴线与第一轴线在第一轴线和第二轴线所在平面上的投影的夹角为100～150°，所述锥形区圆台轴线与第二轴线在第二轴线和第三轴线所在平面上的投影的夹角为12～15°。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：根据锥形区圆台上台面圆心和锥形区圆台轴线，构建锥形区圆台，所述锥形区圆台上台面通常小于锥形区圆台下台面，锥形区圆台的上台面圆面直径为11～14mm，锥形区圆台的台高为11～19mm，锥形区圆台的锥度为5.67～5.68mm。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建控制点l1和控制点l3，所述控制点l1和控制点l3为过圆台上台面圆心、且平行于第一轴线和第二轴线所在平面的平面与圆台下台面边缘的交点，所述控制点l1位于锥形区圆台轴线的内侧，即人体处于直立姿势时，位于锥形区圆台轴线更靠近盆腔的一侧，所述控制点l3位于锥形区圆台轴线的外侧，即人体处于直立姿势时，位于锥形区圆台轴线远离于盆腔的一侧。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建控制点l2和控制点l4，所述控制点l2和控制点l4的连线位于圆台下台面上、且过圆台下台面圆心、且与控制点l1和控制点l3的连线相垂直，所述控制点l2位于锥形区圆台轴线的后侧，即人体处于直立姿势时，位于锥形区圆台轴线靠近人体背面的一侧，所述控制点l4位于锥形区圆台轴线的前侧，即人体处于直立姿势时，位于锥形区圆台轴线靠近人体正面的一侧。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：分别在控制点t1和控制点t2之间、控制点t1和控制点t3之间、控制点t1和控制点t4之间、控制点t1和控制点t5之间构建bezier曲线。本领域技术人员可根据各控制点，构建合适的bezier曲线，所构建的bezier曲线通常尽量贴合有效髓腔的内壁，构建bezier曲线时通常需要通过控制部分节点t1等切线向量方向和大小控制曲线的局部形状。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：分别在控制点l1和控制点t2之间、控制点l2和控制点t3之间、控制点l3和控制点t4之间、控制点l4和控制点t5之间构建bezier曲线，其中，t6为控制点l1和控制点t2之间的曲线上的控制点，可参照图4～图6。本领域技术人员可根据各控制点，构建合适的bezier曲线，所构建的bezier曲线通常尽量贴合有效髓腔的内壁，通过控制部分节点t1等切线向量方向和大小控制曲线的局部形状。过控制点t2调节与髓腔匹配情况和切向方向，t2和l1之间的曲线可以调整柄体与髓腔在冠状位匹配情况。在构建l2和t3的b样条曲线时，连接两点构建b样条曲线，在曲线通过与t6同样高度水平面时，通过控制此处曲线向量方向与轴线l平行，使线达到与髓腔内部匹配效果，在构建l3和t4的b样条曲线时，连接两点构建b样条曲线，在曲线通过与t6高度水平面高10mm处时，通过控制此处曲线向量方向与轴线l平行，使线达到与髓腔内部匹配效果。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：将圆台下台面与有效髓腔的截面之间的样条曲线均进行等分，对应每段等分点构建闭合曲线。本领域技术人员可将圆台下台面与有效髓腔的截面之间的样条曲线进行合适的等分，例如，可参照图7，可以进行15～25等分，并可以以各样条曲线上对应位置的等分点，进一步构建闭合曲线。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：将控制点t1与有效髓腔的截面之间的样条曲线均进行等分，对应每段等分点构建闭合曲线。本领域技术人员可将控制点t1与有效髓腔的截面之间的样条曲线进行合适的等分，例如，可参照图7，可以进行5～10等分，并可以以各样条曲线上对应位置的等分点，进一步构建闭合曲线。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法可以包括：构建获得个体化股骨短柄的模型，构建时，通常可以对闭合曲线进行放样，以获得所述个体化股骨短柄的模型。本领域技术人员可根据各控制点和样条曲线上的等分点，构建合适外形的个体化股骨短柄的模型，所述个体化股骨短柄的模型的截面通常均匀变化，所述截面通常指基于锥形区圆台轴线和股骨机械轴l所截取的截面，所述个体化股骨短柄位于控制点t1侧的末端可以为光滑球面。

本发明第二方面提供一种个体化股骨短柄的制备方法，所述方法包括：根据本发明第一方面所提供的个体化股骨短柄的构建方法构建获得的个体化股骨短柄的模型，制备个体化股骨短柄。通过所述个体化股骨短柄的模型制备个体化股骨短柄的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，制备个体化股骨短柄时，可以采用3d打印技术，更优选的，所述3d打印技术为ebm电子束熔融金属3d打印技术、slm选择性激光熔化3d打印技术打印等。所述3d打印技术所采用的材料可以是本领域各种适用于制造人工关节的材料，例如，所述3d打印技术所采用的材料选自钛合金，例如可以是钴铬钼合金(例如，titaniumti6al4v，titaniumti6al4veli，titaniumgrade2，cobalt-chrome,astmf75等)等。

本发明第三方面提供一种个体化股骨短柄，由第一方面所提供的个体化股骨短柄的构建方法构建获得、或由第二方面所提供的个体化股骨短柄的制备方法制备获得。

本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明第一方面所提供的个体化股骨短柄的构建方法的步骤、或本发明第二方面所提供的个体化股骨短柄的制备方法的步骤。

本发明所提供的个体化股骨短柄的构建方法构建获得的个体化股骨短柄可充分保留骨量，优化应力传递，降低大腿痛，便于后期翻修。所述个体化股骨短柄通过柄体核心区域的个体化设计，从而使得个体化短柄假体相对于骨小梁结构有更好的匹配度，从而可以避免假体位置松动，使得假体的初始稳定性得到提高，应力传递得到优化，从而解决了柄体缩短可能造成的缺陷，并能够弥补传统非骨水泥柄的不足，减少应力遮挡及大腿痛等并发症，改善术后髋关节功能，延长生存时间。个性化股骨短柄构建四条轮廓曲线实现柄体与股骨髓腔进行匹配，并通过与髓腔骨皮质相切构建柄体，使个性化股骨短柄能过实现柄体受力面沿股骨颈部骨小梁结构方向传导，在提高柄体优异的初始稳定性的前提同时能减少股骨短柄与股骨的应力屏蔽。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

个体化股骨短柄的构建主要包括3d模型重建、机械轴建立、生成柄体轮廓线、控制点调整、实体构成。具体方法如下所述：

对手术对象行股骨全长ct扫描(西门子somatomdefinitionflash双源128层ct扫描仪)。扫描前20分钟内平卧于检查床上休息，4小时内不进行任何剧烈活动。扫描参数：0.625mm层厚，无间隔，视野354*354mm，分辨率512×512像素。范围：髂嵴上缘至胫骨结节。根据ct数据使用现有软件建立股骨3d模型如图3所示。在ct横断面视图中在小转子所在位置处确定小转子中心处，调节圆环直径大小16mm，使圆环与髓腔内壁相切如图2所示。在股骨3d模型上构建股骨机械轴，通过机械轴和小转子中心确定股骨柄在髓腔的位置，调整旋转3d模型视图构建股骨机械轴，使股骨上端大转子与下端内侧髁、外侧髁在同一水平面上，并是大转子在内侧髁外侧髁连线中点处，并且内侧髁与外侧髁连线在视图中水平如图3所示。

在二维ct横断面正视柄体模型，在股骨髓腔峡部距小转子深60mm中心处控制点t1,t1与小转子中心连线构成髓腔轴线l。。

锥形区为柄体头部具有一定锥度的圆台，通过正常人股骨头中心与小转子中心空间位置关系以及解剖关系，确定股骨短柄锥形面中心初始位置在股骨头中心，其中锥形面中心与小转子在机械轴方向上距离为55mm，在平行两髁连线方向上距离为50mm，垂直方向上5mm，通过锥形区轴线与股骨轴线颈干角α为127°确定股骨柄颈部轴线，锥形区圆面是以中心为原点，垂直颈部轴线方向构成，锥形区按国际标准设置圆面直径为12.5，台高15，锥度为5.675，从而构建锥形区。构建颈部贴合区域，以锥形区上下左右四点分别对应小转子相应位置构建bezier曲线，柄体颈部下侧为l1颈部外侧为l2,颈部上侧为l3，颈部内侧为l4，t6为曲线l1上确定控制点，是以小转子上方10确定控制点，使其在股骨颈骨皮质表面(如图所示)，并使其在该点的切线方向与骨皮质表面相切，l1与小转子交点为t2，t2为曲线l1调整柄体与髓腔在冠状位匹配情况，通过控制l2l4在控制点同一高度时点切线方向为竖直向下，以及在l3上相对t6提高竖直切线方向高度至10使柄体在张应力面有更大面积提高疲劳性能。通过各控制点构成bezier曲线，对柄体上部进行20等分，构建将4条轮廓线等等分点构成闭合曲线，同时将柄体下部进行10等分，每段分别于另外三条曲线等距处包围成截面，再进行放样形成实体柄，从而构建获得个体化股骨短柄的模型如图7所示。利用ebm或者slm打印机打印成型。

将构建获得的个体化股骨短柄对患者实行股骨手术，手术后对个体化股骨短柄的手术效果进行评价，具体评价信息如下：在髓腔横断位方向上，在小转子以下的柄体轮廓均在髓腔内部，在小转子下60mm处各曲线均与髓腔内壁相切，所围绕轮廓曲线都在髓腔内部，在髓腔冠状位方向上，小转子以下60mm处柄体两侧截面与髓腔内部贴合紧密，在小转子上20mm处与股骨颈部贴合完美，在髓腔矢状位方向上，小转子以下60mm柄体轮廓均匀贴合于髓腔内壁，达到完美匹配。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。